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不同类型玉米种质分子特征分析及耐旱相关性状的连锁—连锁不平衡联合作图

卢艳丽  
【摘要】: 玉米是全世界最重要的粮食作物之一,也是研究遗传、进化和作物驯化的模式作物。干旱是影响玉米生产的主要限制因素,玉米耐旱育种是提高玉米品种耐旱性、减少干旱造成产量损失的有效途径,而种质资源的收集和评价对包括耐旱性在内的玉米遗传育种具有重大意义。近年来,研究者应用基因组学等方法从玉米种质资源中发掘出有益的耐旱基因,在此基础上开发出相应的功能标记,并有效地用于分子标记辅助选择,提高玉米耐旱育种效率。本研究从全球(墨西哥、津巴布韦、肯尼亚、巴西、中国)玉米育种项目中共收集了2000多份温带、热带、亚热带玉米材料,并对其中的770份玉米自交系进行遗传多样性、群体结构及等位基因频率分布等分析。同时从中筛选出了447份核心玉米自交系,利用大规模的SNP标记对其进行了基因内与基因间的遗传多样性比较分析及标记间的LD分析。此外,本研究根据玉米自交系的生物与非生物抗性等特征从中筛选出了550份材料,在正常灌水和干旱胁迫两种处理下对其进行耐旱性评价。分子标记的分析是基于两个1536-SNP芯片,其中一个为随机SNP芯片(random chip, RA芯片),另一个为耐旱候选基因SNP芯片(drought tolerance chip, DT芯片)。最后在构建SNP连锁图谱的基础上,运用基于全基因组扫描的连锁不平衡作图、分离群体的连锁作图定位了与株高、不同时期标准化植被指数(NDVI,反映植株生物量)及ASI相关的QTL,并以ASI为例,比较了这两种作图方法及连锁—连锁不平衡整合作图的定位结果和检测效率。主要研究结果如下: 1.利用全基因组SNP标记进行不同类型玉米种质分子特征分析。利用均匀分布于玉米全基因组的RA芯片所包含的1034个SNP标记对770份玉米自交系进行遗传多样性分析,共检测到2068个等位基因,多态性信息含量平均为0.259,并从中筛选出了449个高质量的核心SNP标记。基于模型聚类、NJ聚类和主成分分析得到了比较一致的分类结果,可将770份玉米自交系划分为温带玉米和热带/亚热带玉米两大类群,温带玉米类群又可以进一步的划分为6个杂种优势群,即PA、BSSS、PB、Lancaster、旅大红骨和四平头。比较不同类型的玉米种质间等位基因频率的差异,发现温带玉米和热带/亚热带玉米种质之间的差异最大,黄色与白色玉米间差异次之,马齿与硬粒玉米间差异最小。对杂种优势的长期选择导致了在两个杂种优势群间,有20%的SNP标记存在显著的等位基因频率差异。比较不同地理来源玉米种质间等位基因的差异,分别在中国(282份)和CIMMYT玉米(394份)中检测到9个和2个特异等位基因。两个紧密连锁的SNP标记PZA03254.1和PZA03587.1,来源于染色体4上的同一个基因,在PA和Lancaster两杂种优势群中具有相同的等位基因变化趋势,而且这两个标记的一个等位基因同时在巴西玉米中缺失,但在中国玉米中频率高达20%,表明这两个相隔142 kb的标记处于一个连锁不平衡的区域内。 2.玉米核心自交系基因内与基因间的遗传多样性及标记间的LD分析。本研究从770份玉米自交系中筛选出447份核心材料,利用RA和DT芯片对其进行基因内、基因间遗传多样性的比较分析,结果表明在447份玉米自交系中基因间标记所揭示的遗传多态性高于基因内标记,内含子标记所揭示的多样性高于外显子标记。另外本研究按照3个SNP标记的窗口、10 kb的遗传窗口(10 kb范围内的所有标记)和基因窗口(一个基因内的所有标记)组成了不同类型的单倍型,并发现窗口的遗传距离越大,其单倍型所揭示的遗传多样性也越高,其中3个SNP窗口的遗传距离最大,.所构成的单倍型在447份玉米自交系中所检测到的遗传多样性最高,其多态性信息含量(PIC)平均值为0.566;10 kb窗口的单倍型次之,其PIC平均值为0.437;基因窗口的单倍型最小,其PIC平均值为0.291,但三种类型的单倍型均高于单个SNP所检测的遗传多样性。全基因组水平上的LD分析表明,447份玉米材料中有33.97%的成对SNP在0.01水平上存在显著的LD,160份温带玉米自交系中有34.14%的成对SNP标记存在显著LD,287份热带玉米自交系中仅有5.55%的成对SNP存在显著LD,远远少于温带玉米和所有玉米材料。在热带玉米和整个玉米材料中,10条染色体上的平均LD衰减距离为5-10 kb,而温带玉米中10条染色体上的平均LD衰减距离为10-100 kb(R20.1的水平上)。由此可见,供试的温带玉米中LD水平高于热带玉米和整个玉米材料。在这三个群体中,随着成对标记在染色体上物理距离的增加,LD的变化都表现出了一致的逐渐降低的趋势。 3.两种水分处理下玉米耐旱性评价和多个选择指标的比较。本研究在正常灌水和干旱胁迫两种处理下对550份玉米材料进行了营养生长和生殖生长阶段的耐旱性评价。我们在干旱处理前后进行10次NDVI的测量,用NDVI来衡量植株不同营养生长阶段的生物量。其他与耐旱相关的选择指标包括ASI、叶片衰老指数、叶绿素含量、根电导率、籽粒产量和产量构成因素及耐旱指数。在干旱处理下粒重是最为稳定的性状。与其他指标性状相比,根电导率和耐旱指数的遗传率和遗传相关最低,不能作为可靠的耐早性评价指标。不同生长时期所测得的NDVI值之间具有很高的遗传相关,表明对植株生长的测量可以选择在一个或两个时间点进行,而不需要在整个生长阶段多次进行。由于下午叶片发生卷曲,使得同一天下午所测得NDVI比早上所测值显著降低。另外,研究还发现NDVI值与其他性状间的相关性较高,表明NDVI能有效地反应植物生物量,建议被用作新的耐旱性评价指标,同时NDVI也可以用于评价干旱处理下叶片的卷曲度。除根电导率外,籽粒产量与其他耐旱指标性状的相关在两个水分处理条件下都达到显著。根据非产量耐旱指标和产量构成因子建立的回归模型可分别解释籽粒产量变异的40%和95%。此外,本研究以10株籽粒数作为选择耐旱种质资源的指标,共筛选获得了45份强耐旱的自交系,其中7份来自中国温带玉米生态区,但表现出了较强的耐旱性,在干旱逆境下可获得与热带玉米相当的产量。这些具有广泛适应性的耐旱玉米种质应该同时被温带和热带生态区育种项目所利用。 4.SNP标记连锁图谱的构建及全基因组遗传重组变异与偏分离对遗传育种研究的影响。利用RA和DT芯片对550份玉米材料进行基因型分析,分别筛选出1035和1017个高质量、多态性的SNP标记,以550份材料中的3个重组自交系群体{XB(X178×B73), C5 (Ac7643×Ac7729/TZSRW)和C6 (CML444×Malawi)}为连锁作图材料,构建了整合的遗传连锁图谱。该图谱长度为1346 cM,共包括了1443个标记,其中SNP标记1155个,另外本研究还整合了214个SSR和74个定义bin边界的核心标记。在3个群体中共检测到446(26%)个显著偏分离的标记(α=5%)和13个偏分离热点区域,其中一个偏分离热点区域(总长度为2.2 Mbp)与ga2(配子体因子2)位于相同的位置。本研究还发现同一标记区域在三个群体间存在高达4.5倍的重组率差异,从着丝粒到端粒区域,遗传重组频率从0.06 cM/Mbp增加到8.47cM/Mbp,可见端粒区域的重组频率是着丝粒区域的100多倍。根据重组抑制规律,本研究推断bin1.05、bin3.04和bin8.03为着丝粒区域。在XB群体中检测到了11个严重重组抑制的非着丝点区域,这可能是由于大块的结构性凝聚异染色质(也称为异染色质纽,knob)所引起。本研究还评价了整合连锁图谱、基因组范围的遗传重组变异和偏分离对遗传研究、QTL定位及分子标记辅助选择的影响。 5.两种水分处理下玉米株高及不同时期NDVI的QTL分析。本研究利用上述RA和DT芯片中的2052个多态性SNP标记及其所组成的386个单倍型座位,对C5、C6、XB重组自交系群体和305份自交系进行了正常灌溉和干旱胁迫处理下玉米株高及不同时期NDVI的QTL分析。结果表明,利用连锁作图在两种水分条件下共检测到60个与不同时期NDVI相关的标记区间,利用单标记和单倍型连锁不平衡作图分别检测到50个显著的SNP和14个显著的单倍型座位,在不同时期中均检测到了相同的QTL区间,同时也发现了各时期特有的QTL。NDVI各时期QTL的数目随着测量时间的推移而逐渐增加。连锁作图、基于单标记和单倍型的连锁不平衡作图在两个水分条件下分别检测到15、13和5个控制株高的QTL。其中有3个控制株高的QTL和4个控制NDVI的QTL均在三种作图方法中被检测到。此外,本研究还发现了13个同时控制株高与NDVI两个性状的QTL。 6.利用连锁-连锁不平衡的联合作图提高QTL分析的效率:以散粉-吐丝间隔期为例。QTL定位效率受到作图群体大小、标记的等位基因频率和定位方法自身性质的影响。利用上述相同的标记和群体进行平行的连锁作图和连锁不平衡作图,同时结合这两种群体进行了连锁—连锁不平衡的整合作图,阐述了不同定位方法中存在的限制因素。ASI是玉米耐旱的重要指标,本研究在灌溉处理和干旱胁迫两种水分条件下对其进行测定。与单标记SNP作图相比,单倍型作图显著地改善了作图的效率,其P值从5.8×10-4降低到7.59×10-8,解释的总变异从5.38%增加到28.63%。连锁作图和LD作图结果相互补充,共检测到了13个QTL。连锁—连锁不平衡的整合作图检测到另外17个QTL,这些QTL主要受到RIL群体与自交系群体间的遗传效应、背景效应或两个效应的同时影响。在277个等位基因频率小于5%的标记中,有113个(40.8%)标记在至少一个RIL群体中恢复了等位基因频率的正常分布,其中还有3个标记在XB RIL群体中被发现与ASI显著相关。此外,本研究在多重检测水平下检测到两个显著的单倍型座位,其中一个与编码SET结构域蛋白的基因相关,在植物发育及ASI的两个主要组成性状中起着重要的调控作用。另一个显著的单倍型座位与醛酮还原酶基因相关,该基因参与逆境胁迫下的解毒代谢途径,并对植物细胞进行渗透调节,从而提高植物的抗逆性。连锁—连锁不平衡的联合作图提高了复杂性状QTL定位的检测效率。


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